一种低噪声热式质点振速传感器及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种低噪声热式质点振速传感器及其实现方法。本发明专利技术采用在流道上设置偶数个测温电阻，并且在测温电阻内设置奇数个加热电阻，通过选择加热电阻的材料，减小加热电阻的温度电阻系数TCR，同时增加加热电阻的宽度w，减小加热电阻的等效热噪声电阻，从而降低低噪声热式质点振速传感器的热噪声，使加热功率更加稳定，从而获得稳定的温场分布，减少低频段的热噪声扰动；同时，测温电阻使用高温度电阻系数大的材料制作，用来感知声波造成的微小温度扰动，从而提高低噪声热式质点振速传感器的灵敏度；本发明专利技术能够消除电阻变化造成的闭环反馈，降低传感器的低频热噪声。降低传感器的低频热噪声。降低传感器的低频热噪声。

A low noise thermal particle vibration velocity sensor and its implementation method

【技术实现步骤摘要】
一种低噪声热式质点振速传感器及其实现方法


[0001]本专利技术涉及，具体涉及一种低噪声热式质点振速传感器及其实现方法。

技术介绍

[0002]热式质点振速传感器是一种新型的声矢量传感器，由加热电阻和测温电阻构成，加热电阻对介质加热，在声波的作用下，介质分子会振动，测温电阻通过感知微小的温度扰动，直接测量声粒子的振动速度。在传感器的结构尺寸固定的情况下，提高加热电阻的加热功率是提升传感器灵敏度最直接有效的方法。这种方法具有以下不足：
[0003]热式质点振速传感器的本底噪声主要来自于电阻的热噪声，通常情况电阻的热噪声只与电阻的大小和温度相关，与频率无关。但热式质点振速传感器的加热电阻具有高温度电阻系数和低热质量的特点，使他对温度扰动非常敏感。加热电阻两端的热噪声会导致加热功率产生扰动，而加热功率的扰动，又将反馈至温度的扰动，进一步影响电阻热噪声，形成闭环反馈后，电阻热噪声会被放大。尤其对于低频扰动，加热电阻的温度能够跟随低频电压一起变化，在高频处，受到热质量的限制，加热电阻的温度稳定，不受高频电压波动的影响。因此热式质点振速传感器的加热电阻的热噪声与频率相关，在低频处温度扰动产生的热噪声会随着加热功率的提高快速上升，最终导致提高加热电阻的功率已无法增加低频段的信噪比。

技术实现思路

[0004]为了解决以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种低噪声热式质点振速传感器及其实现方法；本专利技术的加热结构能够消除电阻变化造成的闭环反馈，降低传感器的低频热噪声。
[0005]本专利技术的一个目的在于提出一种低噪声热式质点振速传感器。
[0006]本专利技术的低噪声热式质点振速传感器包括：衬底、流道、测温电阻、加热电阻和电极；其中，衬底为平板状，对衬底进行镂空处理，从而在衬底上形成流道；在流道上设置偶数个测温电阻，测温电阻关于流道的中心轴呈对称分布；并且，在流道上设置奇数个加热电阻，加热电阻关于流道的中心轴呈对称分布，且加热电阻不能位于测温电阻的外侧，加热电阻的宽度为w，加热电阻的温度电阻系数为TCR；在衬底上设置多个电极，每一个测温电阻和加热电阻分别对应一个电极；每一个测温电阻通过相应的电极连接至外部的测温电路；每一个加热电阻通过相应的电极连接至外部的加热电路；加热电路为加热电阻加热，当流道中有声粒子振动，引起加热电阻产生温场分布扰动，温场分布扰动引起测温电阻的阻值发生变化；测温电路采集测温电阻的阻值的变化，从而得到声粒子振速；其中，温场分布扰动包括声粒子振动引起的扰动和热噪声N引起的扰动；
[0007]低噪声热式质点振速传感器的热噪声N满足：
[0008][0009]其中，k为玻尔兹曼常数，T为加热电阻的温度，B为低噪声热式质点振速传感器的
工作带宽，R
e
为加热电阻的等效热噪声电阻；低噪声热式质点振速传感器的热噪声N随加热电阻的等效热噪声电阻R
e
减小而减小；
[0010]加热电阻的等效热噪声电阻R
e
满足下式：
[0011][0012]其中，a＝TCR
×
(T
‑
T0)，TCR为加热电阻的温度电阻系数，T0为室温，R0为温度为T0时的加热电阻的阻值，ω为加热电阻的等效热噪声的角频率，ω＝2πf，f为加热电阻的等效热噪声的频率，t为加热电阻的热时间常数；加热电阻的热时间常数t满足：
[0013][0014]其中，ρ是加热电阻的密度，c
p
为加热电阻的比热容，h为环境介质的对流换热系数，V是加热电阻的体积为w
×
d
×
L，L为加热电阻的长度，d为加热电阻的厚度，A为加热电阻的表面积，A＝2
×
(w
×
h+w
×
L+h
×
L)；由于加热电阻的长度和厚度不容易调整，因此增加加热电阻的宽度w能够提高传感器的热时间常数t，进而使得加热电阻的等效热噪声电阻R
e
减小；并且减小加热电阻的温度电阻系数TCR，也能够降低加热电阻的等效热噪声电阻R
e
；
[0015]通过选择加热电阻的材料，减小加热电阻的温度电阻系数TCR，同时增加加热电阻的宽度w，使得加热电阻的等效热噪声电阻R
e
≤R0，从而降低低噪声热式质点振速传感器的热噪声N，使加热功率更加稳定，从而获得稳定的温场分布，减少低频段的热噪声扰动；
[0016]同时，测温电阻使用高温度电阻系数大于1000ppm/K的材料，用来感知声波造成的微小温度扰动，从而提高低噪声热式质点振速传感器的灵敏度。
[0017]进一步，在测温电阻附近设置加热电阻，加热电阻位于测温电阻之下或者加热电阻与测温电阻之间的距离小于10μm，测温电阻与外部的测温电路构成电桥，电桥的供电电压本身也会对测温电阻施加功率，对测温电阻施加的功率小于加热电阻施加的功率，从而减少测温电阻采用高温度电阻系数的材料带来的热噪声扰动，依靠附近低温度电阻系数的加热电阻提供稳定的功率，在进一步提高灵敏度的同时，抑制低频热噪声。加热电阻位于测温电阻之下时，还包括隔离层，隔离层设置在加热电阻与测温电阻之间。隔离层的材料采用氧化硅和氮化硅。
[0018]衬底的材料采用硅或玻璃；流道的长度1～5mm，宽度为500～2000μm。
[0019]测温电阻的宽度为1～10μm；长度为500～2000μm。
[0020]加热电阻的材料采用温度电阻系数TCR<100ppm/K的材料。
[0021]本专利技术的另一个目的在于提出一种低噪声热式质点振速传感器的实现方法。
[0022]本专利技术的低噪声热式质点振速传感器的实现方法，包括以下步骤：
[0023]1)低噪声热式质点振速传感器连接：
[0024]衬底为平板状，对衬底进行镂空处理，从而在衬底上形成流道；在流道上设置偶数个测温电阻，测温电阻关于流道的中心轴呈对称分布；并且，在流道上设置奇数个加热电阻，加热电阻关于流道的中心轴呈对称分布，且加热电阻不能位于测温电阻的外侧，加热电阻的宽度为w，加热电阻的温度电阻系数为TCR；在衬底上设置多个电极，每一个测温电阻和加热电阻分别对应一个电极；每一个测温电阻通过相应的电极连接至外部的测温电路；每一个加热电阻通过相应的电极连接至外部的加热电路；
[0025]2)加热电路为加热电阻加热，当流道中有声粒子振动，引起加热电阻产生温场分布扰动，温场分布扰动引起测温电阻的阻值发生变化；测温电路采集测温电阻的阻值的变化，从而得到声粒子振速；其中，温场分布扰动包括声粒子振动引起的扰动和热噪声N引起的扰动；
[0026]3)参数选择：
[0027]低噪声热式质点振速传感器的热噪声N满足：
[0028][0029]其中，k为玻尔兹曼常数，T为加热电阻的温度，B为低噪声热式质点振速传感器的工作带宽，R
e
为加热电阻的等效热噪声电阻；低噪声热式质点振本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低噪声热式质点振速传感器，其特征在于，所述低噪声热式质点振速传感器包括：衬底、流道、测温电阻、加热电阻和电极；其中，衬底为平板状，对衬底进行镂空处理，从而在衬底上形成流道；在流道上设置偶数个测温电阻，测温电阻关于流道的中心轴呈对称分布；并且，在流道上设置奇数个加热电阻，加热电阻关于流道的中心轴呈对称分布，且加热电阻不能位于测温电阻的外侧，加热电阻的宽度为w，加热电阻的温度电阻系数为TCR；在衬底上设置多个电极，每一个测温电阻和加热电阻分别对应一个电极；每一个测温电阻通过相应的电极连接至外部的测温电路；每一个加热电阻通过相应的电极连接至外部的加热电路；加热电路为加热电阻加热，当流道中有声粒子振动，引起加热电阻产生温场分布扰动，温场分布扰动引起测温电阻的阻值发生变化；测温电路采集测温电阻的阻值的变化，从而得到声粒子振速；其中，温场分布扰动包括声粒子振动引起的扰动和热噪声N引起的扰动；低噪声热式质点振速传感器的热噪声N满足：其中，k为玻尔兹曼常数，T为加热电阻的温度，B为低噪声热式质点振速传感器的工作带宽，R
e
为加热电阻的等效热噪声电阻；低噪声热式质点振速传感器的热噪声N随加热电阻的等效热噪声电阻R
e
减小而减小；加热电阻的等效热噪声电阻R
e
满足下式：其中，a＝TCR
×
(T
‑
T0)，TCR为加热电阻的温度电阻系数，T0为室温，R0为温度为T0时的加热电阻的阻值，ω为加热电阻的等效热噪声的角频率，ω＝2πf，f为加热电阻的等效热噪声的频率，t为加热电阻的热时间常数；加热电阻的热时间常数t满足：其中，ρ是加热电阻的密度，c
p
为加热电阻的比热容，h为环境介质的对流换热系数，V是加热电阻的体积为w
×
d
×
L，L为加热电阻的长度，d为加热电阻的厚度，A为加热电阻的表面积，A＝2
×
(w
×
h+w
×
L+h
×
L)；由于加热电阻的长度和厚度不容易调整，因此增加加热电阻的宽度w能够提高传感器的热时间常数t，进而使得加热电阻的等效热噪声电阻R
e
减小；并且减小加热电阻的温度电阻系数TCR，也能够降低加热电阻的等效热噪声电阻R
e
；通过选择加热电阻的材料，减小加热电阻的温度电阻系数TCR，同时增加加热电阻的宽度w，使得加热电阻的等效热噪声电阻R
e
≤R0，从而降低低噪声热式质点振速传感器的热噪声N，使加热功率更加稳定，从而获得稳定的温场分布，减少低频段的热噪声扰动；同时，测温电阻使用高温度电阻系数大于1000ppm/K的材料，用来感知声波造成的微小温度扰动，从而提高低噪声热式质点振速传感器的灵敏度。2.如权利要求1所述的低噪声热式质点振速传感器，其特征在于，所述衬底的材料采用硅或玻璃。3.如权利要求1所述的低噪声热式质点振速传感器，其特征在于，所述流道的长度1～5mm，宽度为500～2000μm。
4.如权利要求1所述的低噪声热式质点振速传感器，其特征在于，所述测温电阻的宽度为1～10μm；长度为500～2000μm。5.如权利要求1所述的低噪声热式质点振速传感器，其特征在于，在测温电阻附近设置加热电阻，加热电阻位于测温电阻之下或者加热电阻与测温电阻之间的距离小...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱哲政，陈旺楠，杨凌濛，杨振川，高成臣，郝一龙，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：